基于水文水動(dòng)力模型的海綿城市建設(shè)效果評(píng)價(jià)技術(shù)研究

王潔瑜，楊黨鋒，劉曉東，侯精明

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065；2.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048）

0 引言

海綿城市建設(shè)是促進(jìn)生態(tài)文明發(fā)展的重要舉措,是改善城市水環(huán)境,提高城市水安全、修復(fù)城市生態(tài)等目標(biāo)的重要手段,而由于缺乏考核制度和考核監(jiān)督壓力,嚴(yán)重阻礙海綿城市建設(shè)工作的推進(jìn)[1]。截至目前,部分試點(diǎn)地區(qū)通過貫徹落實(shí)國家各部委制定的績效考核政策,制定績效考核機(jī)制,而為了更好地智慧化評(píng)價(jià)與考核海綿城市建設(shè)的成效,本文依托西安小寨海綿城市智慧管控系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)際情況與地域特征,以信息技術(shù)為手段、以智慧管控平臺(tái)為基礎(chǔ)、城市監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為核心、考核指標(biāo)為目標(biāo),信息化配套基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備為依托,海綿工程規(guī)劃設(shè)計(jì)為保障,開展基于水文水動(dòng)力模型的海綿城市建設(shè)效果評(píng)價(jià)技術(shù)研究,主要涉及水文水動(dòng)力模型研究、考核指標(biāo)體系、城市內(nèi)澇可視化模擬研究及考核引擎研究等內(nèi)容。

1 海綿城市建設(shè)效果評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 海綿城市內(nèi)澇災(zāi)害數(shù)值模擬可視化關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）海綿城市內(nèi)澇災(zāi)害數(shù)值模擬

基于水文水動(dòng)力學(xué)模型,將工程項(xiàng)目匯水區(qū)劃分成若干個(gè)子區(qū)域,然后根據(jù)各子區(qū)域的特點(diǎn)分別計(jì)算徑流過程,最后通過流量演算方法將各子區(qū)域的出流進(jìn)行疊加,如圖1 所示利用MIKE FLOOD動(dòng)態(tài)耦合模型將一維模型MIKE URBAN或MIKE 11 和二維模型MIKE 21 進(jìn)行整合,同時(shí)結(jié)合SWMM的LID措施模型,實(shí)現(xiàn)二維可視化海綿城市建設(shè)前后地表漫流數(shù)值模擬[2-3]。

圖1 海綿城市內(nèi)澇災(zāi)害數(shù)值模擬

分別設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為5 年、10 年、20 年、50 年的短歷時(shí)降雨工況,雨型為芝加哥雨型,雨峰系數(shù)采用0.3。

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,L/（s·hm2）；t為降雨歷時(shí),min；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,年。

（2）城市內(nèi)澇可視化模擬

目前我國將水環(huán)境數(shù)學(xué)模型與3 DGIS平臺(tái)相結(jié)合的技術(shù)還很少,相關(guān)的規(guī)范性應(yīng)用方案也沒有,本應(yīng)用集成平臺(tái)研究在資源整合的基礎(chǔ)上研究智能模型用于決策,其中決策模擬由積水深度模擬、檢查井冒水模擬及管網(wǎng)+內(nèi)澇模擬三個(gè)模塊構(gòu)成,分別根據(jù)不同重現(xiàn)期進(jìn)行模擬,同時(shí)結(jié)合GIS地圖可直觀查看城市內(nèi)澇情況,見圖2。

圖2 城市內(nèi)澇可視化模擬

1.2 考核指標(biāo)研究

海綿城市考核指標(biāo)研究具體以住建部《海綿城市建設(shè)績效評(píng)價(jià)與考核辦法（試行）》為指導(dǎo)依據(jù),圍繞水安全評(píng)估、水環(huán)境評(píng)估、水生態(tài)評(píng)估及水生態(tài)評(píng)估四個(gè)方面開展相關(guān)研究,見表1[3]。

表1 小寨區(qū)域海綿城市建設(shè)前徑流控制率模擬結(jié)果

2 海綿城市考核引擎關(guān)鍵技術(shù)研究

結(jié)合考核指標(biāo)體系構(gòu)建海綿城市考核信息化引擎,根據(jù)不同的考核指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容計(jì)算過程及模擬表達(dá)研究[4-6]。

（1）年徑流總量控制率指標(biāo)及考核引擎

1）指標(biāo)計(jì)算

年降雨徑流控制率可通過統(tǒng)計(jì)、計(jì)算獲取,滿足考核要求需RAV大于85%,其見式（2）：

式中：RAV為地塊項(xiàng)目/區(qū)域的年徑流總量控制率；Vi為監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)年降雨總量,L；V0為地塊監(jiān)測(cè)范圍降雨的總外排量,L。每場降雨外排徑流量可由地塊的外排井內(nèi)流量計(jì)計(jì)量。

2）考核引擎

年徑流總量控制率考核引擎分別根據(jù)試點(diǎn)區(qū)域、排水分區(qū)、項(xiàng)目地塊及規(guī)劃地塊進(jìn)行徑流控制計(jì)算模擬,同時(shí)聯(lián)動(dòng)雨量站在線監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備實(shí)時(shí)計(jì)算模擬全年降雨量,見圖3。

圖3 年徑流總量控制率計(jì)算考核引擎

3）模擬結(jié)果

系統(tǒng)基于徑流控制率計(jì)算機(jī)理,聯(lián)動(dòng)接入數(shù)值模擬計(jì)算來進(jìn)行效果評(píng)估判定。主要模擬研究區(qū)域全區(qū)在5 年、10 年、20 年、50 年一遇的設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期條件下,降雨歷時(shí)2 小時(shí)情況下建設(shè)前與建設(shè)后各匯水分區(qū)及全區(qū)的徑流總量控制率。模擬結(jié)果表明：在17.2 mm2 h設(shè)計(jì)降雨情況下,建設(shè)前整體試點(diǎn)區(qū)徑流控制率為70.59%,建設(shè)后整體試點(diǎn)區(qū)徑流控制率為91.28%。建設(shè)前各重現(xiàn)期徑流控制率分別為66.60%、64.56%、62.42%、59.62%。

考核引擎計(jì)算結(jié)果表明建設(shè)區(qū)域進(jìn)行海綿設(shè)施改造后,設(shè)計(jì)降雨17.2 mm的徑流控制率可達(dá)91.28%,滿足80%的考核要求。17.2 mm、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇2 h設(shè)計(jì)降雨條件下研究區(qū)域徑流控制率分別為91.28%、86.28%、82.90%、79.53%、75.27%。綜上所述,建設(shè)LID措施和雨水調(diào)蓄池后,徑流控制率顯著提高,設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期較小時(shí),大部分降雨水量會(huì)留在當(dāng)?shù)?可滿足徑流總量控制率的要求。

（2）城市面源污染控制率考核引擎

1）指標(biāo)計(jì)算

①單項(xiàng)設(shè)施

對(duì)于單項(xiàng)設(shè)施,日降雨徑流中各污染物負(fù)荷削減率由入流及外排徑流污染物平均濃度按式（3）計(jì)算出：

式中：Ri為第i日降雨中SS污染物負(fù)荷削減率；C入、C出分別為第i日降雨中SS的入流平均濃度和外排平均濃度,mg/L；V入、V出分別為第i日降雨入流徑流及外排徑流體積,L。

②排水分區(qū)及地塊

對(duì)于排水分區(qū)和地塊類項(xiàng)目由于難以獲得徑流源頭水質(zhì),需實(shí)測(cè)屋頂、道路、綠地等類型的徑流水質(zhì),計(jì)算不同下墊面污染物輸出系數(shù),同時(shí)借助GIS等軟件提取不同下墊面面積,地塊或排水分區(qū)上的污染負(fù)荷；地塊或排水分區(qū)的外排污染負(fù)荷可按外排口的實(shí)測(cè)水質(zhì)和流量計(jì)算獲得,再按式（4）、式（5）計(jì)算日降雨徑流污染物負(fù)荷削減率和年降雨徑流污染物負(fù)荷削減率：

2）考核引擎

城市面源污染控制率考核引擎分別根據(jù)試點(diǎn)區(qū)域、排水分區(qū)、項(xiàng)目地塊及規(guī)劃地塊進(jìn)行面源污染計(jì)算模擬,見圖4。

圖4 凍融循環(huán)過程中的介電常數(shù)

圖4 凍融循環(huán)過程中的介電常數(shù)

3）模擬結(jié)果

系統(tǒng)基于城市面源污染計(jì)算機(jī)理,聯(lián)動(dòng)接入數(shù)值模擬計(jì)算來進(jìn)行效果評(píng)估判定。主要模擬了重現(xiàn)期為5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇設(shè)計(jì)暴雨,降雨歷時(shí)2 h等不同情況下建設(shè)前及建設(shè)后整體區(qū)域的面源污染控制率。不同降雨條件下建設(shè)前后整體區(qū)域模擬結(jié)果分別見表4~表5。

表4 小寨區(qū)域海綿城市建設(shè)前面源污染模擬結(jié)果

表5 小寨區(qū)域海綿城市建設(shè)后面源污染模擬結(jié)果

綜上所述,海綿建設(shè)前后城市面源污染明顯削減,可根據(jù)考核結(jié)果直接得到預(yù)期效果。

（3）熱島效應(yīng)考核引擎

1）指標(biāo)計(jì)算

取海綿城市建設(shè)前區(qū)域內(nèi)夏季（按6月~9月）日平均氣溫與周邊區(qū)（郊區(qū)和鄉(xiāng)村）日平均氣溫的差值T1；

取海綿城市建設(shè)前區(qū)域評(píng)價(jià)年的前一年夏季（按6月~9月）日平均氣溫與周邊區(qū)（郊區(qū)和鄉(xiāng)村）日平均氣溫的差值T2；

比較T1和T2的差值△T,比較△T的值是否有下降趨勢(shì)。

2）考核引擎

熱島效應(yīng)考核引擎分別根據(jù)城郊區(qū)域、試點(diǎn)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)考核,聯(lián)動(dòng)溫度站在線監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備對(duì)比分析區(qū)域內(nèi)外溫度變化趨勢(shì),見圖5。

圖5 熱島效應(yīng)考核引擎

（4）城市排水及內(nèi)澇點(diǎn)防治考核引擎

1）指標(biāo)計(jì)算

雨水資源利用率通過以下公式計(jì)算：

式中：Rw為雨水資源利用率,%；∑v為各雨水收集設(shè)施雨水利用量,m3；V為年均降水總量或市政雜用水總量,m3。

雨水資源利用率監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作以雨水利用量監(jiān)測(cè)為主,分別從社區(qū)地塊、排水分區(qū)和試點(diǎn)區(qū)域三個(gè)尺度進(jìn)行雨水回用量監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì),結(jié)合年降水量或市政雜用水量進(jìn)行計(jì)算。

2）考核引擎

城市排水考核依據(jù)城市排水5 年一遇工程前后內(nèi)澇點(diǎn)個(gè)數(shù)變化進(jìn)行考核分析。內(nèi)澇點(diǎn)防治依據(jù)城市排水5年一遇、10 年一遇及50 年一遇工程前后內(nèi)澇點(diǎn)個(gè)數(shù)變化進(jìn)行考核分析,見圖6。

圖6 城市排水及內(nèi)澇點(diǎn)防治考核引擎

在城市排水標(biāo)準(zhǔn)分析中,分別計(jì)算在不同設(shè)計(jì)管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)情況下的城市內(nèi)澇情況,以所監(jiān)測(cè)的三處內(nèi)澇點(diǎn)的積水情況作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),以評(píng)估海綿建設(shè)區(qū)域5 年一遇城市排水標(biāo)準(zhǔn)的合理性。同時(shí)采用數(shù)值模型模擬計(jì)算了在5 年一遇、10 年一遇及50 年一遇的降雨條件下的城市內(nèi)澇結(jié)果。

以海綿改造前后5 年一遇降雨重現(xiàn)期下全區(qū)域及三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位積水點(diǎn)分布情況為例,見圖7（圖中橢圓區(qū)域分別為三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位積水情況）。

圖7 5年一遇降雨下海綿建設(shè)前后研究區(qū)內(nèi)澇模擬情況

由海綿設(shè)施建設(shè)前后內(nèi)澇模擬情況可知,設(shè)計(jì)降雨為5 年一遇時(shí),海綿建設(shè)前,研究區(qū)域積水情況明顯,積水點(diǎn)位較多,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位JS3 積水較多,JS2、JS1 開始出現(xiàn)積水情況；海綿建設(shè)后,研究區(qū)域無明顯積水,積水情況得到明顯改善,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位無明顯積水情況,部分點(diǎn)位出現(xiàn)積水可能與地形因素有關(guān),考慮到輸入地形資料的地形精度誤差較大,因此地形上的數(shù)字凹陷可能導(dǎo)致模擬結(jié)果中部分點(diǎn)位出現(xiàn)較深積水。

（5）雨水資源收集利用率考核引擎

城市雨水收集資源利用率考核分別從地塊、排水分析及試點(diǎn)區(qū)域三個(gè)尺度進(jìn)行雨水回收用量與統(tǒng)計(jì),結(jié)合年降雨量進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)展示調(diào)蓄池水位-庫容曲線,見圖8。

圖8 雨水收集資源利用率考核引擎

3 結(jié)論

考核評(píng)估是海綿城市建設(shè)工作的重要環(huán)節(jié),為了科學(xué)、全面、智慧化評(píng)價(jià)海綿城市建設(shè)成效,開展基于水文水動(dòng)力模型的海綿城市建設(shè)效果評(píng)價(jià)技術(shù)研究工作,以住建部《海綿城市建設(shè)績效評(píng)價(jià)與考核辦法（試行）》為指導(dǎo),圍繞“水生態(tài)、水環(huán)境、水資源、水安全”建設(shè)理念遴選7項(xiàng)涉水考核指標(biāo),同時(shí)借助數(shù)字化、信息化技術(shù)構(gòu)建海綿城市考核引擎,一方面能夠?yàn)楹＞d城市建設(shè)提供智慧化效果評(píng)價(jià)手段,一方面為海綿措施工程提供建設(shè)依據(jù)。